4.2. Обратимые и необратимые процессы

Термодинамический процесс, совершаемый системой, называется обратимым, если после него можно возвратить систему и все взаимодействовавшие с ней тела в их начальные состояния таким образом, чтобы в других телах не возникло каких-либо остаточных изменений.

При обратимом процессе система может возвратиться в исходное состояние так, что в окружающей ее среде не останется никаких изменений. Процесс, который не удовлетворяет вышеуказанному условию, называется необратимым процессом.

По существу все процессы в макросистемах являются необратимыми (строго говоря, таковыми являются и процессы, которые мы называли обратимыми — это идеализация, удобная для решения многих важных вопросов).

Необходимое условие обратимости термодинамического процесса — его равновесность, т. е. всякий обратимый процесс всегда является равновесным (квазистатическим). Однако не всякий равновесный процесс обязательно обратим.

Например, квазистатический процесс равномерного движения тела по горизонтальной шероховатой поверхности под действием взаимно уравновешивающихся сил тяги и трения - процесс необратимый.

Проблема необратимости процессов. Возникает принципиальный вопрос: в чем причина необратимости? Это выглядит особенно странно, если учесть, что все законы механики обратимы во времени.

Например, никто не видел, чтобы, разбившаяся ваза самопроизвольно восстановилась из осколков. Этот процесс можно наблюдать, если предварительно засняв на пленку, просмотреть ее в обратном направлении, но никак не в действительности.

Если происходит какой - либо тепловой процесс, то обратный процесс, т.е. процесс, при котором система проходит те же тепловые состояния, но только в обратном порядке, как правило, невозможен, т.к. тепловые процессы, вообще говоря, являются необратимыми.

Например, если приведем в соприкосновение два тела с разными температурами, то тепло пойдет от более нагретого тела к холодному, а обратный процесс, как известно невозможен, т.е. процесс необратим.

В той или иной степени необратимыми являются все происходящие в природе тепловые процессы, однако в некоторых случаях степень необратимости может оказаться столь незначительной, что процесс можно с достаточной точностью считать обратимым.

Для достижения обратимости следует по возможности в системе всякие процессы, имеющие характер, приближенный к тепловому равновесию (переход тепла от более нагретого тела к холодному, трение между телами и т.д).

Примером обратимого процесса является адиабатическое расширение или сжатие газа.

Характерная особенность обратимых процессов - их медленность - процесс должен быть настолько медленным, чтобы участвующие в процессе тела успевали в каждый момент времени оказываться в состоянии равновесия, соответствующим имеющимся в этот момент внешним условиям. Т.е. обратимый процесс - это непрерывная последовательность равновесных состояний.

Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов.

Все процессы, сопровождающиеся трением, а так же явления диффузии и растворения – необратимые

Всякий реальный процесс осуществляется не бесконечно долго, а с конечной скоростью, поэтому он не может быть полностью обратимым. В системе тел, находящихся в равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может, т.е. с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, нельзя произвести никакой работы, т.к. работа связана с механическим движением, т.е. с переходом внутренней энергии в кинетическую энергию.

С этой посылкой связано еще одна формулировка второго начала термодинамики: невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.

Итак, работу можно произвести только с помощью системы тел, не находящихся в тепловом равновесии.